【加法筆記系列】PN 結和單向導通原理

zhoukekestar2017發表於2018-05-09
筆記

PN 結是二極體中最基本的單向導通原理

  • 化學鍵
    • 離子鍵
    • 共價鍵
  • 元素週期表
  • PN 結
    • 原理
    • 形成
    • 正向偏置
    • 反向偏置

PN 結

化學鍵

化學鍵有3種型別 ，即離子鍵、共價鍵、金屬鍵（氫鍵不是化學鍵，它是分子間力的一種）。

— Baidu

離子鍵

帶相反電荷離子之間的互相作用叫做離子鍵(Ionic Bond)，成鍵的本質是陰陽離子間的靜電作用。

— Baidu

陽離子、陰離子通過靜電作用形成的化學鍵稱作離子鍵。兩個原子間的電負性相差極大時，一般是金屬與非金屬，例如：氯與鈉，若他們要結合，電負性大的氯會從電負性小的鈉搶走一個電子，以符合八隅體。之後氯會以-1價的方式存在，而鈉則以+1價的方式存在，兩者再以庫侖靜電力因正負相吸而結合在一起。

— Wiki

Na 在元素週期表中為 11，意味著有 11 個質子，根據外層電子排布，分別為 2, 8, 1, 所以，Na 容易失去電子呈現 +1 ，F 同理容易得到電子，由此得到的 NaF 就形成了離子鍵。

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共價鍵

共價鍵（Covalent Bond）是原子間通過共用電子對（電子雲重疊）而形成的相互作用

— Baidu

原子間通過共用電子形成的化學鍵，叫做共價鍵。它通過兩個電負度相近的原子，例如兩個氧，互相共用其外圍電子以符合八隅體的鍵結方式結合，因此也有人說這是非金屬原子間的結合方式。

— Wiki

金屬鍵

化學鍵的一種，主要在金屬中存在。由自由電子及排列成晶格狀的金屬離子之間的靜電吸引力組合而成。由於電子的自由運動，金屬鍵沒有固定的方向，因而是非極性鍵。

— Baidu

極性鍵

極性鍵是在化合物分子中，不同種原子形成的共價鍵，由於兩個原子吸引電子的能力不同，共用電子對必然偏向吸引電子能力較強的原子一方，因而吸引電子能力較弱的原子一方相對的顯正電性。這樣的共價鍵叫做極性共價鍵，簡稱極性鍵。

— Baidu

元素週期表

單一元素可以以共價鍵形式組成，如 H2，O2

NaCl 以離子鍵（極性鍵）組成。Na 電子層排布：2-8-1，Cl 電子層排布：2-8-7，一個容易失去電子，一個容易得到電子。

同位素：由於元素週期表是以質子數數量為排序依據，而未考慮中子數，所以，中子數不同，而質子數不同的元素稱為同位素。

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PM 結

一塊半導體晶體一側摻雜成P型半導體，另一側摻雜成N型半導體，中間二者相連的接觸面稱為PN接面（英語：pn junction）。PN接面是電子技術中許多元件，例如半導體二極體、雙極性電晶體的物質基礎。

— Wiki

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PM 結的基本原理

摻入少量雜質硼元素（或銦元素）的矽晶體（或鍺晶體）中，由於半導體原子（如矽原子）被雜質原子取代，硼原子外層的三個外層電子與周圍的半導體原子形成共價鍵的時候，會產生一個“空穴”，這個空穴可能吸引束縛電子來“填充”，使得硼原子成為帶負電的離子。這樣，這類半導體由於含有較高濃度的“空穴”（“相當於”正電荷），成為能夠導電的物質。

Si 電子層排布：2-8-4，純 Si 在四周和 4 個 Si 元素共用 4 個外層電子，組成 4 個共價鍵，形成 4 + 4 的 8 電子數穩定結構。在此基礎上，加入 B （電子排布：2-3），使其產生一個空穴。

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摻入少量雜質磷元素（或銻元素）的矽晶體（或鍺晶體）中，由於半導體原子（如矽原子）被雜質原子取代，磷原子外層的五個外層電子的其中四個與周圍的半導體原子形成共價鍵，多出的一個電子幾乎不受束縛，較為容易地成為自由電子。於是，N型半導體就成為了含自由電子濃度較高的半導體，其導電性主要是因為自由電子導電。

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PN 結的形成

當 PN 級結合的時候，N 極多餘電子會往 P 極擴充套件，形成一個內電場，這個內電場叫做 PN 結，也叫阻擋層、耗盡層、空間電荷區。

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電子受到電場力作用會漂移向N級，但N級電子太多，還是會向P級擴散。兩種運動形成了動態平衡，當然，不一定會像下面這個動畫一樣形成穩定的環形電流。

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正向偏置

電源正極接P，負極接N，電荷會重新分佈

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因為載流子多而且PN接面窄,所以會形成比較大的電流。

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負極電子的流入（外加電場）導致 PN 結變窄，從而使得電子的擴散運動得到增強，並形成正向電流

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反向偏置

反向偏置使得 PN 結變寬

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因為載流子少而且PN接面太寬，所以電流會很小。

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QA

  • 同位素

    同位素（英語：Isotope）是某種特定化學元素之下的不同種類，同一種元素下的所有同位素都具有相同原子序數，質子數目相同，但中子數目卻不同。這些同位素在化學元素週期表中佔有同一個位置，因此得名。

    例如氫元素中氘和氚，它們原子核中都有1個質子，但是它們的原子核中分別有0箇中子、1箇中子及2箇中子，所以它們互為同位素。

  • 工業制矽

    工業上，通常是在電爐中由碳還原二氧化矽而製得：

    SiO2 + 2C → Si + 2CO

  • 半導體

    半導體（英語：Semiconductor）是指一種導電性可受控制，範圍可從絕緣體至導體之間的材料。常見的半導體材料有矽、鍺、砷化鎵等，而矽更是各種半導體材料中，在商業應用上最具有影響力的一種。

  • 二級管

    二極體（英語：Diode），是一種具有不對稱電導的雙電極電子元件[注 1]。理想的二極體在正向導通時兩個電極（陽極和陰極）間擁有零電阻，而反向時則有無窮大電阻，即電流只允許由單一方向流過二極體。

References

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